Что не так с камерами наших смартфонов и какой будет мобилография будущего

Технологии в смартфонах развиваются экстенсивно: техпроцесс изготовления транзисторов становится тоньше, ядер в процессорах появляется больше, частота растет, энергопотребление снижается. По производительности флагманские смартфоны приблизились к настольным компьютерам, а экраны с ладонь вмещают больше пикселей, чем некоторые мониторы. Однако камеры в мобильных устройствах, даром что раздавили рынок мыльниц, до профессиональных аппаратов по-прежнему недотягивают. В гонке за мегапикселями никто не выиграл: чтобы снимки вправду похорошели, недостаточно поднять разрешение.

На днях о проблемах мобильной фотографии невольно напомнила компания Huawei. На ее странице в Google+ появился снимок девушки, а в приписке к нему нахваливали камеру передового смартфона P9. Журналисты тут же проверили метаданные фото, выяснили, что его сделали с помощью оборудования ценой $4,5 тыс., и задним числом перечислили приметы изображения с полноценного фотоаппарата: красивые отблески от линз, маленькая глубина резкости, картинка совсем не искажена и в целом выглядит уж очень качественно. Камера P9 считается одной из лучших на рынке, но даже она не выдаст такой снимок. Huawei извинилась и вернулась к разработкам, чтобы устранить или хотя бы сгладить типичные «мобильные» огрехи и догнать конкурентов, которые тоже не сидят сложа руки.

Несовершенство камер в смартфонах во многом обусловлено ограничениями в размерах. Модуль для съемки должен быть маленьким, его нужно уместить рядом с другими деталями, чтобы он не слишком выступал за корпус, не мешал теплоотдаче, сам чересчур не грелся, да еще и стоил как можно дешевле. Светочувствительные сенсоры в мобильниках в десятки раз меньше по размеру, чем в фотомыльницах и зеркалках. И хотя они дают картинку сопоставимого, а то и большего разрешения, каждый пиксель в модулях смартфонов меньше, и оттого он хуже поглощает свет. Поэтому изображения портят шумы, особенно если кадр снят в полумраке, уменьшается их динамический диапазон, а движущиеся объекты труднее поймать в фокус.

Пользователи постепенно поняли, что обозначенные 23 мегапикселя не принесут лишние лайки в инстаграме. Поэтому во флагманы все чаще стали устанавливать модули с менее впечатляющими цифрами — 16 Мп или даже 12 Мп, — на ту же площадь стали помещать меньше светочувствительных точек, зато они лучше улавливают свет — картинка получается меньше, но красивее.

Из-за сильных ограничений в габаритах в смартфоны устанавливают сравнительно простые оптику и вспышку, что тоже сказывается на картинке. Еще одно слабое звено — процессор, который обрабатывает сигналы с датчиков, отвечает за автофокус, цветопередачу и устранение шумов. Обычно это не отдельный вычислительный блок, а лишь встраиваемая часть основного системного чипа (SoC), который изготавливают сторонние компании (например, Qualcomm или MediaTek).

Бывает, камера выдает отличные кадры, но стоит чуть дернуть руку — и снимок смазывается, особенно в полумраке. Чтобы изображение получалось четким, в смартфонах применяют разные системы стабилизации. Самые простые — программные: кадр доводит до ума фотоприложение. В последних флагманских моделях смартфонов распространена оптическая стабилизация (OIS). Сама технология появилась еще двадцать лет назад, и ее суть в следующем: блок с линзами оснащают маленькими приводами, которые направляют оптику в сторону, противоположную движению смартфона, — тогда свет точнее попадает на датчик. Правда, если объект в кадре размылся, потому что движется очень быстро, это ухищрение не поможет. OIS обычно превосходит программную стабилизацию, но большой модуль помещается не в каждый аппарат. К примеру, в iPhone 6 Plus есть OIS, а в обычных «шестерках» ее нет.

Следующий шаг — стабилизация самого датчика. В феврале китайцы из OPPO показали первый прототип своего SmartSensor: по их словам, в сравнении со стабилизаторами линз он работает в три раза быстрее, в десять раз точнее, а энергии потребляет меньше. Вероятно, SmartSensor скоро появится во флагманах компании, а позже станет общим местом.

Какая-никакая стабилизация изображения есть почти в каждом смартфоне, а оптический зум встречается исчезающе редко. Чтобы приблизить или отдалить кадр, обычно нужна подвижная оптика, но из-за этого аппарат делается громоздким: вспомнить хотя бы старый Samsung Galaxy S4 Zoom. Правда, Asus недавно выпустила ZenFone Zoom с большим, но не гигантским модулем, где линзы двигаются внутри аппарата и способны на трехкратное приближение.

В дальнейших разработках одни инженеры используют приводы как в системах оптической стабилизации, другие экспериментируют с гибкими линзами и зеркалами, чтобы менять кривизну и по-разному преломлять свет. Возможно, прорыв в этом направлении случится, когда ученые докрутят новые сверхтонкие линзы: весной команда из Австралийского национального университета рассказала о линзах из дисульфида молибдена толщиной в две тысячных человеческого волоса и радиусом 10 микрон. Но быстрее всего на рынке появятся смартфоны с оптическим зумом на основе сдвоенных камер, о которых следует поговорить отдельно.

Сдвоенные камеры — последний писк моды: почти все ведущие компании отрасли устанавливают их в новые флагманы; по слухам, такой модуль будет и в iPhone 7. Модули расположены встык, у каждого есть свои линзы и светочувствительный датчик. Но обычно эти модули имеют отличия: к примеру, в LG G5 одна камера на 16 Мп, а другая всего на 8 Мп, зато с широкоугольным объективом. В Huawei P9 оба модуля по 12 Мп, но один из них выдает только черно-белые изображения. В автоматическом режиме обе камеры снимают одновременно, а приложение объединяет кадры в один для лучшей детализации и очистки от шумов.

Израильская компания Corephotonics готовит сразу три сдвоенных модуля: первый — почти как в P9, второй больше напоминает G5, только в нем два снимка тоже складываются в один, а вдобавок есть трехкратный «оптический» зум (на самом деле кадр приближается программой после обработки). Третий модуль называется Hawkeye. Одна из его камер обычная, а другая имеет оптический стабилизатор, преломляет свет и пятикратно приближает картинку. По идее, такая камера позволит менять фокус после того, как вы сделали кадр, а также захватывать трехмерные объекты. Инженеры из Corephotonics говорят, что, кроме зума, их камеры уменьшают шумы при тусклом свете, повышают динамический диапазон и разрешение фотографии, то есть устраняют основные изъяны смартфонов.

Но две камеры не предел: Foxconn, который выпускает комплектующие для многих производителей мобильной техники, заключил соглашение со стартапом Light — те проектируют камеру с 16 датчиками.

Если недостатки мобильных камер предопределены размером корпуса, то избавиться почти от всех сразу можно, вынеся датчик и оптику в отдельный модуль. Кое-какие эксперты считают устройства со сменными частями вроде Project Ara будущим мобильной техники, а продвинутый фотоблок представляется самым очевидным усовершенствованием. LG уже выпустила первый модульный аппарат G5, и фотографическая насадка как раз была одним из первых двух аксессуаров. Правда, в LG Cam Plus нет собственно камеры — это планка с кнопками, колесиком зума и батареей, причем довольно неудобная.

Фотомодули будут и у нового Moto Z, а предприимчивые умельцы придумывают насадки даже для смартфонов без специальных разъемов. К примеру, Moondog Labs выпустила линзы для iPhone, а режиссер Шон Бейкер снял с их помощью замечательный фильм «Мандарин», за который получил два десятка призов на разных фестивалях.